盧 巖，宋 瑋，于同偉，張武洋

0 引言

IEC61850 變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)是按照變電站自動化系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的監(jiān)視、控制和繼電保護(hù)三大功能需求，將智能變電站劃分為過程層、間隔層和站控層［1～3］。智能變電站與傳統(tǒng)變電站最重要區(qū)別之一在于增加了過程層網(wǎng)絡(luò)，將傳統(tǒng)變電站中間隔層的數(shù)據(jù)采集、開關(guān)量輸入輸出等模塊下放到過程層實(shí)現(xiàn)，增加了合并單元(MU)、智能終端、過程層交換機(jī)等智能電子裝置(IED)，利用光纖傳輸報(bào)文取代了傳統(tǒng)的硬接線方式。過程層與間隔層設(shè)備的信息交互可以采取直采直跳或組網(wǎng)的方式實(shí)現(xiàn)，當(dāng)采用過程層組網(wǎng)方式時，全站IED 設(shè)備必須首先同步時鐘，以保證過程層傳輸?shù)牟蓸又岛虶OOSE 信息的實(shí)時性和可靠性，從而保證變電站正常運(yùn)行的可靠性［4，5］。

本文在智能變電站過程層“三網(wǎng)合一”試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，針對智能變電站過程層環(huán)網(wǎng)(過程層網(wǎng)絡(luò)經(jīng)多級交換機(jī)級聯(lián)形成)環(huán)境下采樣值、GOOSE 報(bào)文的傳輸延時和保護(hù)整組動作時間等進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析過程層報(bào)文傳輸可靠性及IEEE1588 對時應(yīng)用技術(shù)的可靠性，為智能變電站網(wǎng)絡(luò)延時提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 采樣值報(bào)文傳輸延時、抖動測試及可靠性分析

電力系統(tǒng)實(shí)時狀態(tài)分析和控制策略制定都要依賴于電力系統(tǒng)信息量的實(shí)時采集，對于過程層采用“三網(wǎng)合一”實(shí)現(xiàn)保護(hù)測控等安全自動裝置采樣的智能變電站，由于合并單元發(fā)送的采樣值經(jīng)過程層網(wǎng)絡(luò)上送至間隔層的保護(hù)測控等安全自動裝置，由此帶來的過程層網(wǎng)絡(luò)對采樣值信息的網(wǎng)絡(luò)延時將會影響間隔層設(shè)備動作的準(zhǔn)確性［6，7］，所以針對網(wǎng)絡(luò)采樣的網(wǎng)絡(luò)傳輸延時的測試研究是必要的。將對采樣值報(bào)文的網(wǎng)絡(luò)傳輸延時測試的測試接線圖、測試內(nèi)容和測試結(jié)果進(jìn)行分析，為智能變電站網(wǎng)絡(luò)化采樣值傳輸提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

在所有保護(hù)中，母差保護(hù)的工作條件最為嚴(yán)酷，因?yàn)槟覆畋Ｗo(hù)要接收母線上所有間隔的采樣值報(bào)文，而在環(huán)網(wǎng)環(huán)境中，不同間隔的MU 將采樣值報(bào)文傳送到母差保護(hù)所經(jīng)過的交換機(jī)級數(shù)不同，帶來的傳輸延時也會有差異。不同的傳輸延時是否會影響保護(hù)同步采樣從而影響保護(hù)正確判別及動作是重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。因此測試以母差保護(hù)為例。

1.1 測試接線圖

測試接線圖如圖1 所示。為了排除設(shè)備互操作性的影響，選取國內(nèi)三家知名品牌的10 臺交換機(jī)組成環(huán)網(wǎng)，級聯(lián)端口均為千兆口，其他端口為百兆口，環(huán)斷點(diǎn)在1 號與10 號交換機(jī)之間。采用精確時鐘協(xié)議IEEE1588 為所有設(shè)備對時，合并單元發(fā)送的采樣值要經(jīng)過10 層交換機(jī)才能到達(dá)保護(hù)裝置，利用網(wǎng)絡(luò)報(bào)文分析儀來監(jiān)視采樣值經(jīng)過10級交換機(jī)的傳輸延時及抖動情況。

圖1 采樣值報(bào)文傳輸延時測試接線圖Fig．1 Sample message transmission delay test

1.2 測試結(jié)果及可靠性分析

測試結(jié)果如圖2 所示。

圖2 采樣值經(jīng)10 臺交換機(jī)延時分布概率圖Fig．2 Distribution probability of sample value transmission delay after 10 switches

MU 固定以每秒4 000 幀報(bào)文的頻率向上發(fā)送采樣值信息，即相鄰兩幀報(bào)文間隔為250 μs。通過試驗(yàn)可以看出，在過程層組網(wǎng)方式下，采樣值經(jīng)過10 臺級聯(lián)交換機(jī)時，網(wǎng)絡(luò)傳輸延時大致分布在90 ～140 μs 范圍內(nèi)，大部分采樣值的延時在121 μs 左右。

從試驗(yàn)結(jié)果來看，在三網(wǎng)合一的條件下，如果經(jīng)過的級聯(lián)交換機(jī)數(shù)量過多，則采樣值傳輸延時較大，當(dāng)交換機(jī)數(shù)量達(dá)到20 級時，延時則達(dá)到240 μs 左右，甚至差出一個采樣點(diǎn)。對于本間隔保護(hù)、測控、PMU、故障測距、電度表等影響不大但是可能會對跨間隔保護(hù)的間隔層設(shè)備的正確運(yùn)行造成影響。

2 跳閘報(bào)文傳輸特性測試及可靠性分析

2.1 GOOSE 報(bào)文傳輸延時測試

智能變電站將傳統(tǒng)保護(hù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換、開關(guān)量輸入輸出功能下放到過程層設(shè)備中。傳統(tǒng)變電站中開關(guān)量的輸入、輸出信息通過電纜傳輸，幾乎是無延時的、直觀可靠的。而現(xiàn)在模擬量采集、跳合閘依靠通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?；贗EC61850 的變電站自動化，由電流、電壓互感器傳送給保護(hù)、測控裝置的實(shí)時采樣信息和保護(hù)單元發(fā)送給現(xiàn)場開關(guān)保護(hù)信號的信息傳輸時間需求最高，要求小于2 ms。尤其對于母差保護(hù)，必須接收母線上所有間隔的啟動母差信號，必須考慮所有間隔啟動報(bào)文或心跳報(bào)文同時到達(dá)的極限情況［8］。如果不能保證網(wǎng)絡(luò)的安全性、實(shí)時性，完全有可能引起誤動、拒動，甚至造成災(zāi)難性的后果［9，10］。所以，對三網(wǎng)合一方式下GOOSE 跳閘報(bào)文傳輸?shù)难訒r進(jìn)行測試是十分必要的。

將對GOOSE 報(bào)文的網(wǎng)絡(luò)傳輸延時測試的測試接線圖、測試內(nèi)容和測試結(jié)果進(jìn)行分析，為智能變電站網(wǎng)絡(luò)化跳閘提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.1.1 測試接線圖

測試接線圖如圖3 所示。為了排除設(shè)備互操作性的影響，同樣選取3 種不同品牌的交換機(jī)5臺，將它們的千兆口級聯(lián)，采用精確時鐘協(xié)議IEEE1588 為所有設(shè)備對時。母差保護(hù)裝置發(fā)出的GOOSE 信息由分光器分兩路，一路送至報(bào)文分析儀，另一路送至第一級交換機(jī)，經(jīng)過5 級交換機(jī)后將報(bào)文發(fā)送給智能操作箱。報(bào)文分析儀監(jiān)測GOOSE 信息到達(dá)每一級交換機(jī)的時間，隨機(jī)記錄10 組數(shù)據(jù)。

圖3 GOOSE 傳輸延時測試接線圖Fig．3 GOOSE transmission delay test

2.1.2 測試結(jié)果及可靠性分析

測試結(jié)果如圖4。報(bào)文經(jīng)過每一級交換機(jī)的延時在5 ～7 μs 左右，從母差發(fā)出GOOSE 報(bào)文到第一級交換機(jī)級聯(lián)口接收、處理并轉(zhuǎn)發(fā)出去經(jīng)過了42 μs 左右的時間，因?yàn)镚OOSE 報(bào)文長度為500 字節(jié)，經(jīng)過百兆口傳輸需要40 μs，交換機(jī)得到數(shù)據(jù)后解析出目標(biāo)地址，發(fā)送級聯(lián)口需要2 μs時間。因此實(shí)測數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)吻合。從保護(hù)發(fā)出GOOSE 報(bào)文到末級交換機(jī)接收并轉(zhuǎn)發(fā)出此報(bào)文的總延時大概為66 μs。

圖4 經(jīng)五級交換機(jī)GOOSE 傳輸延時Fig．4 GOOSE transmission delay after 5 switches

由以上測試結(jié)果，給出交換機(jī)千兆級聯(lián)時，隨交換機(jī)級數(shù)的增加，GOOSE 信息傳輸延時的理論值如圖5 所示。

圖5 經(jīng)多級交換機(jī)GOOSE 傳輸延時理論值Fig．5 Theoretical value of GOOSE transmission delay after several switches

GOOSE 信息由交換機(jī)帶來的傳輸延時在μs級，滿足IEC61850 對變電站跳閘信息傳輸?shù)臅r間需求。所以，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，交換機(jī)千兆級聯(lián)時，GOOSE 傳輸延時滿足變電站的運(yùn)行要求。

2.2 保護(hù)跳閘整組時間測試

GOOSE 報(bào)文網(wǎng)絡(luò)延時性能在工程應(yīng)用中體現(xiàn)在保護(hù)動作整組時間上，所以我們以母差保護(hù)測試為例，通過試驗(yàn)測試過程層交換機(jī)組環(huán)網(wǎng)方式下保護(hù)動作跳閘的整組時間，分析由于網(wǎng)絡(luò)帶來的GOOSE 傳輸延時對保護(hù)跳閘輸出的快速性、安全性和可靠性影響。

2.2.1 測試接線圖

測試接線圖如圖6。為了測試不同廠家的保護(hù)裝置動作時間，試驗(yàn)采用了4 個不同廠家的智能操作箱和保護(hù)裝置，編號為1，2，3，4 不同品牌的交換機(jī)，其中10 臺交換機(jī)千兆級聯(lián)組成環(huán)網(wǎng)，環(huán)斷點(diǎn)在1 與10 之間，所有設(shè)備采用精確時鐘協(xié)議IEEE1588 對時。分別測試每個廠家的保護(hù)裝置依次發(fā)跳閘GOOSE 命令給每一臺智能操作箱，利用報(bào)文分析儀監(jiān)視并記錄保護(hù)動作的時間，重復(fù)測試多次求平均值。

圖6 保護(hù)動作時間測試接線圖Fig．6 Whole protection trip time test

2.2.2 試驗(yàn)結(jié)果及可靠性分析

試驗(yàn)得到各保護(hù)廠家母差保護(hù)對應(yīng)跳自家智能操作箱的整組時間分布圖如圖7 所示，母差保護(hù)動作的整組時間在30 ～50 ms 左右，整組動作時間主要取決于保護(hù)動作時間和操作箱動作的時間，而網(wǎng)絡(luò)傳輸導(dǎo)致的延時所占的比例極其微小，各廠家跳閘整組時間的長短差異主要來自于保護(hù)裝置和操作箱的差異。

由此給出了平均整組時間組成，網(wǎng)絡(luò)傳輸時間是按照經(jīng)過20 級交換機(jī)的延時計(jì)算的，即便這樣其只占整組時間的1.15%，而更大的延時主要取決于保護(hù)裝置和操作箱的性能。在過程層交換機(jī)組網(wǎng)方式下，GOOSE 數(shù)據(jù)傳輸能保持較穩(wěn)定的出口延時，滿足保護(hù)的安全可靠性要求 (見圖8)。

圖7 各廠家保護(hù)動作整組時間分布圖Fig．7 Whole protection trip time distribution of each company

圖8 經(jīng)20 級交換機(jī)保護(hù)動作整組時間分布圖Fig．8 Whole protection trip time distribution after 20 switches

3 IEEE1588 對時應(yīng)用可靠性

智能變電站中同步采樣尤其是不同合并單元之間的同步采樣對各種差動保護(hù)尤為重要。在智能變電站中，最重要的對時設(shè)備是MU。傳統(tǒng)的對時一般采用PPS (秒脈沖)或者B 碼信號對時，采樣值同步的有效性依賴于接收到對時信號的正確可靠，而對時信號的獲取是通過單獨(dú)的硬接線方式實(shí)現(xiàn)的，取消這種硬接線方式而借助于以太網(wǎng)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)采樣值的高精度同步具有重要意義［11］。IEEE 1588 是一種用于分布式測量和控制系統(tǒng)的精密時間協(xié)議，同時也是網(wǎng)絡(luò)測量和控制系統(tǒng)的精密時鐘同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)對時精度可達(dá)到亞μs 級?；贗EEE 1588 實(shí)現(xiàn)采樣值的同步具有良好的應(yīng)用前景。

在上述試驗(yàn)的測試中，均采用了IEEE1588 的對時方式對IED 設(shè)備進(jìn)行對時。測試過程中，發(fā)現(xiàn)了以下問題:

(1)交換機(jī)對1588 報(bào)文駐留及鏈路延時修正值與實(shí)際時間不一致，導(dǎo)致MU 立刻跟蹤主時鐘，強(qiáng)行拉秒脈沖。MU 序號不連續(xù)，保護(hù)判斷丟包，閉鎖退出運(yùn)行。

(2)環(huán)網(wǎng)情況下，如果出現(xiàn)一臺交換機(jī)CPU死機(jī)，環(huán)網(wǎng)會癱瘓。

對于上述情況的出現(xiàn)，通過分析，可以在交換機(jī)的架構(gòu)及軟件上提高可靠性，避免各種原因的時鐘跳變，同時制定可靠的MU 對時策略，使MU 具備在一定的時間內(nèi)對主時鐘錯誤的兼容能力，從而躲過這種類型的跳變，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。

4 結(jié)論

從以上測試來看，在上述組網(wǎng)方式下智能變電站過程層三網(wǎng)合一技術(shù)是可靠的。網(wǎng)絡(luò)方式是智能變電站發(fā)展的必然趨勢。通過研究對于未來的技術(shù)發(fā)展提出如下觀點(diǎn):

(1)對于網(wǎng)絡(luò)采樣，環(huán)網(wǎng)條件下采樣值傳輸延時對于測控、計(jì)量及本間隔保護(hù)等滿足可靠性要求。對于跨間隔保護(hù)，網(wǎng)采技術(shù)的應(yīng)用受到一定限制，當(dāng)組成環(huán)網(wǎng)的交換機(jī)臺數(shù)限制在一定數(shù)量內(nèi)，保護(hù)動作的可靠性完全可以滿足要求。當(dāng)組成環(huán)網(wǎng)的交換機(jī)臺數(shù)過多時，可能會影響保護(hù)的動作性。但是，這一問題是可以在兩個方面來解決的，一是在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)上探究新的方向來解決環(huán)網(wǎng)傳輸延時的問題，實(shí)現(xiàn)端對端傳輸時間可控;二是探究新的繼電保護(hù)算法，使保護(hù)能夠兼容網(wǎng)絡(luò)帶來的抖動［12］。

(2)對于網(wǎng)絡(luò)跳閘，由環(huán)網(wǎng)帶來的GOOSE跳閘報(bào)文傳輸?shù)难訒r在保護(hù)整組動作時間中所占比例微小，20 級交換機(jī)組成的環(huán)網(wǎng)帶來的GOOSE傳輸延時所占保護(hù)整組動作時間的比例不足1.15%，完全滿足保護(hù)正確動作的可靠性要求。

(3)IEEE1588 的應(yīng)用是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的關(guān)鍵。對于目前1588 應(yīng)用中出現(xiàn)的問題，通過在交換機(jī)的架構(gòu)及軟件上提高可靠性以及針對MU 制定可靠性更高的1588 對時策略即可滿足工程應(yīng)用。

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